ABS／ASR／ACC集成系統車載實驗平臺開發＊

裴曉飛 劉昭度 齊志權 張 彪 李志遠

（北京理工大學機械與車輛學院1） 北京 100081） （河北大學機械與建筑工程學院2） 保定 071000）

根據日本ASV（advanced safety vehicle）項目的研究成果［1］，汽車安全產品根據事故發生的相對時間，可分為安全駕駛輔助系統、增強型動力學系統、主動避撞系統三大類.其中汽車主動巡航系統（ACC）屬于第一類，通過車輛的定速巡航或安全車距保持控制，提高正常行車特別是高速駕駛時的主動安全性，同時也可減輕駕駛員工作強度，有利于乘坐的舒適性.制動防抱死系統（ABS）和驅動防滑系統（ASR）同屬第二類，主要作用于極限工況，分別通過調節制動力和驅動力來使得車輪滑移率控制在一理想范圍內，以獲得最優的地面附著力.近十余年來，國內外各高校和汽車公司進行了大量的針對性工作［2－4］，并獲得了豐富的研究成果.清華大學已在國內率先實現ABS的產品化工作［5］，博世公司也擁有種類齊全的汽車主動安全設備［6］，但將三者集成化的電控系統卻仍未出現.

同時系統在基于實車實驗的開發工程中，車載平臺無疑是必不可少的輔助設備［7］.通過實時記錄控制系統的內部參數和外部車輛的運動姿態，能方便直觀地反映出控制器的性能，并且大大加快研發的進度.東南大學的張為公和清華大學的楊殿閣等人研制的車載數據采集系統［8－9］僅能對車輛外在狀態實行監測，對控制器的研發未能起到有效幫助.因此本文介紹了ABS／ASR／ACC集成系統的組成和意義，給出了為實現此集成系統而專門開發的車載實驗平臺的總體架構，分析了各個子模塊的功能和結構，并設計了平臺內部通信協議.通過實車實驗表明車載平臺性能良好，滿足集成系統的研究需要.

1 ABS／ASR／ACC集成控制系統

隨著汽車上以主動安全為目的的電控產品越來越多，必然會導致不同系統和執行器之間相互干涉和性能沖突問題，而ABS／ASR／ACC集成控制系統的提出符合電控產品系統集成化的趨勢［10］.ABS，ASR，ACC 3個控制子系統同屬于汽車縱向動力學研究范疇，盡管各自的作用范圍不盡相同，但功能和控制目標互有補充，集成控制能顯著提高汽車整體的縱向安全性；另一方面從實現手段上看，ASR，ACC均可視為在ABS基礎上的自然延伸，三者能共用大部分傳感器和執行機構，通過資源共享實現降低成本.而在控制器軟件設計中，基于明確界定的各子系統功能，建立控制優先級判斷邏輯，通過共享變量和函數，實行合理的資源調配，提高編程效率.表1給出了3個子系統之間的異同點和相互切換邏輯；圖1則顯示了協調控制策略流程圖.

圖1 ABS／ASR／ACC協調控制策略

表1 集成系統的組成

2 基于CAN總線的車載實驗平臺

2.1 平臺總體架構

根據ABS／ASR／ACC集成系統的特點，基于模塊化的思想，按車載實驗平臺的功能將其劃分為：集成控制，數據采集，雷達信息處理，人機交互等四個模塊，并通過CAN總線采取分布式協同工作.圖2給出了車載平臺的硬件組成.

圖2 車載平臺硬件框圖

2.2 子模塊設計

2.2.1 集成控制模塊 集成控制模塊將獨立ABS，ASR，ACC控制器在軟硬件上有機結合，通過對各個傳感器的信息融合，實時對當前的行車狀態和駕駛員操作進行判斷，并調用相應的控制程序，驅動節氣門或制動執行機構對車輛進行主動調節，是車載平臺中發揮車輛控制功能的核心單元.圖3給出了ABS／ASR／ACC集成控制器的結構框架.

圖3 集成控制模塊結構組成

2.2.2 數據采集模塊 利用五輪儀采集車速信息，通過六路壓力傳感器得到實時主缸和輪缸壓力，由車輪扭矩傳感器感知地面作用力大小，通過陀螺儀測得車輛行駛中的橫擺角速度和橫向／縱向加速度，利用前輪轉角傳感器獲得方向盤輸入信息.數據采集模塊對全面了解車輛實時信息，輔助控制策略應用起著重要作用.

2.2.3 雷達處理模塊 在ACC系統中，應用了美國Delphi公司的車載毫米波雷達，來獲取前車的相對車速，相對車距，方位角等信息，最多能同時跟蹤64個目標.由于雷達獲取信息量較大，同時相關目標控制算法較復雜，因此單獨設置子CAN網，專門實現雷達信號的獲取與處理，保證了集成系統的實時性和可靠性.

2.2.4 人機交互模塊 基于Linux嵌入式操作系統，負責平臺的輸入指令和輸出顯示等整體操作.因此不必像往常通過筆記本電腦，借助車載平臺即可直接方便的完成實車試驗的各項任務.圖4給出了人機交互模塊的硬件結構，其具有以下功能.

1）實時顯示 接收車載平臺各子模塊經CAN總線傳來的變量，進行數據還原和分類，并通過液晶屏顯示.

2）指令輸入 由鍵盤負責輸入指令，操作實驗的進程和顯示界面的切換.

3）數據存儲 在實時顯示的同時，將CAN總線上的試驗數據通過USB主機儲存到U盤上.按不同時間，不同的實驗類型以文件的形式儲存.

4）故障診斷 若實驗中ABS／ASR／ACC系統發生故障，可對存儲于EEPROM中的故障碼進行離線顯示和人工清除.

5）結果后處理 實驗結束后可將U盤中的分類數據通過USB從機發送PC上，進行曲線擬合等進一步分析.

圖4 人機交互模塊硬件結構

2.3 平臺通信協議

由于安全電控系統對實時性和可靠性有著苛刻的要求，選用了傳輸速率500k／bit，11位ID的CAN通信協議作為平臺的控制總線.各個子模塊按照協議中對節點地址和信息場的分配，將數據打包后以一定的幀格式向CAN總線上發送，并由顯控模塊最終接收，并解析還原成實際值.在信息場中包含有模擬信號和數據信號.模擬信號一般為1或2字節，如輪速信號，有一定的采樣周期，因此也為周期傳送；數字信號屬于事件類，如制動踏板的開合，屬于位傳輸.搭建完成CAN網絡之后，需要利用CAN－USB工具進行數據標定，并對網絡負載率和錯誤率進行測試.

3 車載平臺性能實車驗證

圖5給出了所設計的車載集成控制器在整個實車試驗平臺中應用的示意圖.在完成ABS／ASR／ACC控制策略開發后，即可基于實車平臺對集成控制系統的性能進行試驗驗證.

3.1 ABS－ASR聯合實驗

圖5 實車平臺總體示意圖

在低附著路面上制動和驅動過程中，車輪極容易出現過大的滑移率，同時車輛失穩.因此利用集成控制系統進行了ABS－ASR控制切換實驗，結果如圖6所示，反映了右前輪和左后輪的輪速關系.在8.5s采取緊急制動后，調用ABS控制防止車輪的抱死；從11s開始，車輛加速，由于驅動輪容易打滑，利用ASR調節保證了車輛的加速性能.

圖6 ABS－ASR切換實驗結果

3.2 雷達信號驗證實驗

雷達信號處理的好壞直接決定了集成系統中ACC控制效果，因此需對雷達ECU輸出結果進行標定.如圖7所示，圖7a）為由前車裝備的速度傳感器采集得到的車速；圖7b）為車速根據雷達測量出的相對車速加上自車車速估計得到的前車車速.實驗結果顯示兩條曲線基本吻合，由此得到雷達ECU能準確反映出前方目標信息，并提供給集成系統應用.

圖7 雷達信號驗證實驗結果

3.3 ACC車距保持實驗

利用集成系統的ACC功能，可以輔助駕駛員駕駛，實現對前車的安全距離保持，實驗結果如圖8所示.圖中，前車以80s周期作類似正弦運動，自車v能以較小的速度誤差跟隨前車vp進行正弦運動；同時，實際相對車距R較好的符合虛線所代表的安全時距Rd，因此集成系統較好的實現了車輛自適應巡航的功能.

圖8 ACC車距保持實驗結果

4 結 論

1）所開發的ABS／ASR／ACC集成控制系統能有效實現各個子系統的功能，同時協調控制有利于進一步提高汽車的主動安全性.

2）所開發的車載實驗平臺，各個模塊協同工作能滿足多項技術要求，為ABS／ASR／ACC控制策略的調試提供的良好的硬件支持.

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